Изотопы

Изотопы

ИЗОТОПЫ, химические элементы с различными атомными весами, но расположенные в одной и той же клетке периодической системы Менделеева. Химические и большинство физических свойств изотопов почти тождественны. В современном учении о строении атомов понятие изотопов характеризуется тем, что массы центральных положительных ядер у них различны, в то время как заряды этих ядер, а, следовательно, и число внеядерных электронов (атомный, или порядковый N°), одинаковы. Химические свойства атомов определяются числом и расположением внешних электронов; поэтому у изотопов эти свойства совпадают; наоборот, свойства, зависящие от строения атомного ядра, именно - радиоактивные свойства, глубоко различны у разных изотопов. Тонкие детали спектров так же определяются ядерными массами и поэтому неодинаковы у разных изотопов. Понятие об изотопах введено в науку Ф. Содди на основании данных, полученных при исследовании радиоактивных элементов.

Корпускулярные излучения радиоактивных тел приводят к следующим правилам изменения положения соответствующих атомов в периодической системе: 1) при излучении α-частицы, атомного ядра гелия с двумя положительными зарядами (см. Атомная теория), остающийся элемент уменьшается по атомному весу на 4 единицы и по валентности отступает в периодической системе на два столбца назад;

2) при излучении β-луча (электрона) в остающемся элементе атомный вес практически не изменяется, но по валентности элемент перемещается в периодической системе на одно место вперед. Вследствие таких прерывных изменений и становится возможным тот факт, что в одной и той же клетке системы элементов оказываются расположенными несколько различных атомов с разными атомными весами, но с одинаковым числом внешних электронов; эти атомы и будут изотопами. В табл. 1 приведен пример группы радиоактивных изотопов, имеющих общий атомный номер 84.

Радиоактивные изотопы с общим атомным номером 84

Элементы этой группы не разделимы химическим путем, но, как видно, необычайно различны по своим радиоактивным свойствам. Тщательно исследована изотопическая группа свинца (атомный номер 82); к этой группе относится по крайней мере 10 представителей с интервалом значения атомного веса от 201 до 214. Прямые измерения атомного веса свинца различного происхождения (из разных радиоактивных минералов) обнаружили вполне заметные вариации атомного веса. По Ричардсу, атомный вес обыкновенного свинца равен 207,19, свинца из австралийского карнотита - 206,34, из урановых руд - 206,08. Содди высказал предположение, что и другие, нерадиоактивные элементы во многих случаях являются смесью различных изотопов, чем и объясняются отклонения атомных весов от целых чисел. Это предположение вполне подтвердилось в замечательных исследованиях Астона, произведенных с т. н. массовым спектрографом.

Метод и прибор Астона для исследования изотопов явились развитием метода химического анализа при помощи положительных, или каналовых, лучей, предложенного и осуществленного Дж. Дж. Томсоном. Частица, летящая в пучке каналовых лучей, является положительным ионом с определенным зарядом е, массой m и скоростью v. Подвергая эту частицу одновременному действию параллельно направленных магнитного и электрического полей, можно заставить каналовый луч отклониться, причем величина отклонения будет зависеть от отношения e/m и скорости v. Лучи с одним и тем же значением e/m, но различными v, развернутся в поверхность (фиг. 1), оставляющую при пересечении с какой-нибудь плоскостью YZ (например, фотографической пластинкой или фосфоресцирующим экраном), перпендикулярной к первоначальному направлению луча ОХ, параболический след.

График лучей изотопов

Изменение направления поля OY на противоположное вызовет поворот параболы. Разные точки параболы соответствуют разным скоростям. Для других значений e/m парабола будет иная, но с той же вершиной. Т. о., частицы с разными массами и одинаковыми зарядами дадут разные параболы, положение и форма которых и дают средство определения m.

Еще в 1912 г., до работ Содди, Томсон обнаружил указанным методом для каналовых лучей неона две параболы, соответствующие атомным весам 20 и 22, что заставило предположить существование нового элемента с атомным весом 22. Для изучения этого обстоятельства Астон построил массовый спектрограф, в котором метод Томсона был усовершенствован в различных направлениях. Соответственно располагая магнитные и электрические поля, Астон достиг своего рода «ахроматизации» пучка каналовых лучей, заставив их при одном и том же e/m сходиться в одной «точке» независимо от различных скоростей v. Комбинация магнитного и электрического полей в приборе Астона действует подобно ахроматической призме, отклоняющей световой луч, но не разлагающей его на цвета; угол отклонения определяется только отношением e/m. На фиг. 2 дана схема последней модели прибора.

Схема модели прибора Астона

Разряд происходит в цилиндрическом или шаровом сосуде, не изображенном на схеме. Через щель, или канал, а в катоде b каналовые лучи попадают во вторую щель с (обе щели шириной около 0,02 мм). В несколько искривленном пространстве между пластинами d1, d2 лучи подвергаются действию электростатического поля, проходя диафрагму е1, е2, и затем попадают в область сильного магнитного поля f, образуемого мощным электромагнитом с полюсами, имеющими сечение, изображенное заштрихованной площадью. Лучи фокусируются на фотографической пластинке g. Железные экраны h служат для защиты от магнитного поля. Ниже воспроизведены массовые спектры Астона, полученные с новой моделью спектрографа.

массовые спектры Астона

Izotopy 4 1

Каждой линии соответствуют каналовые частицы определенной массы, значения которой написаны сбоку (причем масса атома кислорода считается равной 16). В спектре I виден дублет, соответствующий кислороду и метану (16), в спектре X, с видны линии 11 изотопа олова и т. д.

Разрешающая способность нового прибора такова, что массы, различающиеся примерно на 1/600, дают отдельные, не сливающиеся линии, а точность определения положения линий составляет около 0,1‰. При помощи массового спектрографа прежней и новой конструкции Астон обнаружил большое число изотопов для разных элементов. В табл. 2 приведены в виде примера новые данные Астона (1927 г.) для четырех элементов.

Данные Астона для серы, олова, ксенона и ртути

Наличие изотопов у многих элементов, которые являются, т. о., смесью атомов с разными массами, объясняет отклонения средних атомных весов от целых чисел. Есть, однако, и другой источник этих отклонений, менее значительный, но принципиально не менее важный. Если атомный вес О принять равным 16, то атомный вес Н окажется равным 1,00778, атомный вес Не - 4,002; у Н нет изотопов, и следовало бы ожидать, что вес Не д. б. равен учетверенному Н, т. е. 4,03. Разница 4,03—4,00 соответствует, по Ланжевену, убыли массы при образовании ядра гелия из 4 протонов, т. е. из 4 водородных ядер. Эта убыль, как предполагается, эквивалентна радиации, сопровождающей процесс образования Не; она определяет огромную устойчивость ядер Не, вылетающих при радиоактивном распаде в виде α-частиц. Новые измерения Астона позволили установить, что атомные веса изотопов большинства элементов, даже в том случае, когда эти отдельные изотопы, составляющие какой-нибудь один элемент, отделены друг от друга, также не выражаются целыми числами. В табл. 3 приведена величина d/m, убыль массы на каждый протон, входящий в состав ядра данного атома, где d - отклонение действительного атомного веса от массового числа m (числа протонов, входящих в состав атома).

Izotopy 6

В этой таблице (в отличие от установленного в последнее время в химии правила) атомный вес Н, конечно, принимается равным точно 1,000, поэтому - для него равно точно нулю. Числа, стоящие в скобках около обозначений атомов, указывают атомное массовое число m. Из таблицы видно, что d/m имеет максимум в области изотопов криптона и затем начинает убывать. Возможно, что это уменьшение d/m - первый признак повышающейся неустойчивости ядер тяжелых элементов, которая резко проявляется в радиоактивных явлениях.

Массовый спектрограф Астона, разделяя изотопы, не дает, однако, возможности изолировать их в количествах, достаточных для изучения их физических свойств. Принципиально возможно, пользуясь различием атомных масс у изотопов, разделить их в газообразном состоянии путем фракционированной диффузии и фракционированного испарения или путем комбинации обоих указанных методов. На фиг. 3 изображен аппарат Гаркинса для разделения изотопов ртути комбинированным испарением и диффузией.

Аппарат Гаркинса для разделения изотопов ртути комбинированным испарением и диффузией

Испаряющаяся ртуть диффундирует через мембрану из фильтровальной бумаги. При многократном повторении этого процесса Гаркинсу и Мортимеру удалось получить фракции ртути, атомные веса которых отличались на 0,02 единицы.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 - 1929 г.